Le fibre ottiche realizzate con cristalli fotonici topologici consentono una maggiore versatilità e controllo attraverso le modalità e la polarizzazione della luce che trasmettono. Compositivamente, i cristalli fotonici contengono bande proibite per impedire il passaggio della luce rispetto a energie e momenti d'onda specifici, proprio come un interruttore on/off. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Luce naturale:scienza e applicazioni , Hao Lin, e Ling Lu dell'Istituto di fisica dell'Accademia cinese delle scienze hanno trasmesso pura luce "monomodale" su un'ampia gamma di frequenze tramite una caratteristica topologica nota come "vortice di Dirac". Il concetto può portare ad applicazioni che trasmettono segnali luminosi in modo più stabile su lunghe distanze. Sebbene il lavoro sia attualmente teorico, i ricercatori suggeriscono l'uso di fibre di silice basate su metodi stack-and-draw o tecnologie di stampa tridimensionale (3D) per fabbricare e testare questi concetti teorici.

Comprensione delle linee nodali e dei punti di Weyl in una fibra di cristalli fotonici.

Le fibre di cristalli fotonici si affidano all'infinita varietà di cristalli bidimensionali (2-D) per la loro funzionalità. Il concetto di fotonica topologica basata su robuste guide d'onda può ispirare nuovi concetti di fibra compreso lo sviluppo di una fibra unidirezionale all'interno di un campo magnetico, Cristallo fotonico 3-D. In questo lavoro, Lin e Lu hanno introdotto una fibra di cristallo fotonico topologico (PCF) simile alla cavità topologica del vortice di Dirac nella sua sezione trasversale utilizzando cristalli fotonici 2-D. La fibra a vortice Dirac è un design ideale per sviluppare fibre monomodali a singola polarizzazione (SPSM) a banda ultralarga a causa della dispersione mid-gap singoletto all'interno del bandgap. Gli scienziati hanno facilitato la fase di fabbricazione introducendo un design semplificato di soli quattro tubi capillari di silice per ottenere finalmente un SPSM di ottava.

Il team ha iniziato con la fibra di cristalli fotonici più comune, un cristallo fotonico di silice con un reticolo triangolare di fori d'aria. Il materiale conteneva due linee nodali di punti Dirac 2-D nella zona di Brillouin. Se hanno rotto la simmetria di inversione della fibra del cristallo fotonico aggiungendo un foro d'aria extra piccolo nella cella primitiva, ogni linea nodale del costrutto potrebbe aprirsi in punti Weyl o cariche topologiche sul materiale. Le particelle di Weyl sono particelle fermioniche sfuggenti con massa nulla e non si trovano come particelle elementari in natura. Si trovano invece ad emergere in materiali allo stato solido in cui le bande 3-D possono sviluppare un incrocio puntiforme topologicamente protetto, noto come punto Weyl. I punti Weyl fotonici possono essere realizzati in cristalli fotonici 3-D con strutture complesse.

Lo stato legato topologico esaminato in questo lavoro può essere realizzato anche in reticoli a nido d'ape con rappresentazioni alternate di legame singolo e doppio di composti organici noti come strutture Kekulé, prende il nome dal chimico tedesco August Kekulé, che originariamente propose la rappresentazione per sviluppare il composto organico del benzene. I ricercatori hanno poi accoppiato le due linee nodali dei punti di Dirac in una supercella allargata e le hanno annientate in una banda proibita. Ogni supercella aveva tre cellule primitive etichettate come un "atomo" artificiale contenente tre puntoni. Hanno spostato ogni atomo nella struttura spostando il suo centro di massa in qualsiasi direzione regolando lo spessore dei tre puntoni senza modificare la massa totale dell'atomo. Gli scienziati hanno sviluppato le modulazioni Kekulé dei reticoli e hanno tracciato la struttura a bande corrispondente.

La stabilità della fibra di cristallo fotonico a vortice di Dirac è rimasta nel progetto stesso poiché il corrispondente difetto topologico non si è formato aggiungendo o rimuovendo materiale localmente. Il difetto topologico è stato formato perturbando delicatamente l'intero reticolo per creare piccole imperfezioni locali. Una caratteristica topologica che definisce la fibra a vortice di Dirac era la facilità di creare più modalità quasi degeneri aumentando il numero di avvolgimenti, ovvero un numero intero che rappresenta il numero di volte in cui le curve viaggiano in senso antiorario attorno a un punto, del vortice. In linea di principio, i ricercatori possono praticamente fabbricare un continuo, fibra di cristallo fotonico a vortice Dirac monomodale o multimodale da preforme stampate in 3D (una forma o una forma), o tramite il metodo stack-and-draw utilizzato per sviluppare fibre ottiche con più di cento tubi con diversi spessori di tubo. Però, nessuno di questi metodi era conveniente, quindi Lin e Lu et al. presentato una versione discreta del design in fibra.

I ricercatori hanno richiesto solo quattro tubi per impilare e disegnare la fibra di cristallo fotonico a vortice di Dirac, che era molto ragionevole per la fabbricazione. I quattro tubi di silice utilizzati nel processo avevano lo stesso diametro esterno per mantenere il reticolo, ma diversi diametri interni per la modulazione. I ricercatori hanno tracciato la fibra vortice Dirac discreta risultante e la sua struttura legata in cui era presente non uniformità strutturale a sei interfacce identiche. Hanno anche notato la presenza di modalità guidate dall'indice all'interno della fibra del vortice di Dirac che si sono verificate ovunque fosse presente un massimo locale acuto dello spessore del puntone. Questi erano equivalenti a un aumento locale dell'indice di rifrazione effettivo. Gli scienziati hanno anche notato la sezione trasversale della fibra con la dimensione del vortice e la corrispondente struttura a bande.

La fibra di cristallo fotonico a vortice di Dirac con un diametro di vortice finito ha mantenuto un single-mode a polarizzazione singola (SPSM). Lin e Lu et al. testato le loro prestazioni potenziali relative alla perdita di confinamento, dispersione e area effettiva e perdita di flessione. Hanno tracciato i modi con la perdita di confinamento più bassa e hanno notato che la perdita del modo topologico è la più bassa per l'intera gamma di lunghezze d'onda su un'ottava. Le specifiche della fibra di cristallo fotonico a vortice di Dirac qui descritte erano simili a quelle degli studi precedenti, sebbene con la differenza fondamentale di una modalità a polarizzazione singola, utilizzato in questo lavoro.

In questo modo, Hao Lin e Ling Lu hanno studiato numericamente la fibra di cristallo fotonico topologico del vortice di Dirac rispetto al suo principio, costruzione e prestazioni potenziali. Hanno proposto di sviluppare questa fibra utilizzando il processo standard stack-and-draw utilizzando tubi di vetro di silice o preforme stampate in 3D. Il metodo è vantaggioso rispetto alle fibre precedenti grazie alla sua capacità di guidare a piacimento un numero qualsiasi di modalità quasi degenerate. Il design monomodale ha fornito la polarizzazione singola, fibra monomodale con una larghezza di banda di ottava per regolare facilmente l'area della modalità effettiva modificando la dimensione del vortice nel materiale. Il lavoro suggerisce di utilizzare le fibre di cristalli fotonici come nuova piattaforma per la fotonica topologica.

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